Ricercatori europei osservano uno stato supersolido a temperatura ambiente in ibridi luce-materia
Fisici in Polonia, Francia e Svizzera dimostrano un supersolido sintonizzabile elettricamente con microcavità a cristalli liquidi, senza raffreddamento prossimo allo zero assoluto
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Un team di ricerca europeo ha osservato uno stato supersolido sintonizzabile elettricamente a temperatura ambiente all'interno di una cavità ottica. La scoperta fisica, ottenuta combinando cristalli liquidi e film di semiconduttori organici, dimostra che il comportamento supersolido può manifestarsi senza il raffreddamento ultrafreddo finora necessario per simili fasi quantistiche.
Luce e materia creano una fase quantistica a doppio ordine
I fisici teorizzarono per la prima volta negli anni '60 che un superfluido, un fluido senza attrito e con viscosità nulla, potesse emergere all'interno di una struttura cristallina. Quella fase duale, nota come supersolido, è stata confermata sperimentalmente nei condensati atomici di Bose-Einstein ultrafreddi nel 2017. Come evidenziato in recenti notizie sui brevetti e riportato da Interesting Engineering, un team congiunto dell'Università di Varsavia, della Military University of Technology polacca, del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS) e di IBM Research Zurich ha ora prodotto questo stato a temperatura ambiente.
I ricercatori si sono basati sul forte accoppiamento tra luce e materia all'interno di una microcavità ottica per generare polaritoni di eccitone, quasiparticelle ibride. Sebbene queste quasiparticelle sopravvivano solo per pochi picosecondi, questa breve finestra consente loro di formare un condensato di Bose-Einstein che si comporta come un superfluido quantistico.
«Questo è un esempio da manuale di rottura spontanea della simmetria. La teoria prevedeva che il supersolido potesse scegliere tra diversi stati equivalenti, ed è esattamente ciò che abbiamo osservato.»
— Guillaume Malpuech, professore all'Institut Pascal (CNRS)
Rottura spontanea della simmetria sotto eccitazione laser
Per costruire il dispositivo, i ricercatori hanno riempito una microcavità ottica con un cristallo liquido realizzato su misura e l'hanno rivestita con uno strato di semiconduttore organico. Grazie a questa ingegnosa invenzione, quando il superfluido passa a supersolido emette luce che mostra frange luminose regolarmente spaziate. Ogni impulso laser diretto sul campione sperimentale ha prodotto frange luminose in posizioni diverse, confermando la transizione.
Il team ha registrato due distinte forme di ordine spaziale contemporaneamente, visibili nella polarizzazione e nell'intensità della luce. Guillaume Malpuech, professore all'Institut Pascal (CNRS), ha descritto la variazione delle frange come un caso da manuale di rottura spontanea della simmetria, osservando che la teoria prevedeva che il supersolido potesse selezionare tra molteplici stati equivalenti.
Limiti operativi e sintonizzabilità elettrica fino a 60 °C
La fabbricazione e il collaudo del sistema hanno imposto vincoli fisici severi, perché il semiconduttore organico reagiva chimicamente con il cristallo liquido. I tecnici di IBM Research Zurich hanno depositato film sottili di semiconduttore organico su strutture fotoniche realizzate dalla Military University of Technology, il che imponeva di concludere tutte le misurazioni entro poche ore dall'assemblaggio del dispositivo.
A differenza dei sistemi tradizionali che richiedono temperature vicine allo zero assoluto, le strutture fotoniche restano funzionanti al calore ambiente. Wiktor Piecek, professore alla Military University of Technology, ha affermato che le microcavità del team funzionano anche a temperature vicine ai 60 °C. Poiché il dispositivo risponde a una tensione elettrica esterna, questa innovazione scientifica offre una piattaforma per controllare le fasi quantistiche nelle future apparecchiature fotoniche quantistiche, un progresso destinato a una futura domanda di brevetto, secondo i risultati pubblicati sulla rivista Science Advances.
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